关联型氧化石墨烯膜的结构调控和应用

发布时间：2017-05-02 03:12

  本文关键词：交联型氧化石墨烯膜的结构调控和应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石墨烯具有独特的二维片层结构和众多优异的性能,将石墨烯及其衍生物作为基础模块构建新型碳基材料是实现石墨烯应用的重要途径。氧化石墨烯作为石墨烯的重要衍生物,具有良好的成膜性能,在脱盐、渗透汽化、超级电容器、透明电极等方面有广泛应用前景。单纯的氧化石墨烯膜虽然在干燥条件下具有很高的机械强度,但是在水环境中,膜易发生溶胀剥离,从而变得不稳定。因此,提高氧化石墨烯膜稳定性是实现规模应用的关键。另一方面,氧化石墨烯膜的应用功能与其结构和化学性质密切相关,只有设计和制备具有合适结构和理化性质的氧化石墨烯膜才有希望拥有良好的应用性能。本论文研究了氧化石墨烯膜的微观结构-理化性质-功能关系,通过选用不同的制膜方法和交联剂,设计和制备了具有不同微观结构和化学性质的交联型氧化石墨烯膜,并开展了相应的应用性研究。具体研究主要包括以下四个方面的内容：(1)聚乙烯亚胺交联氧化石墨烯层状膜：氧化石墨烯纳米粒子具有超高的比表面积,可与很多物质能形成氢键、发生范德华力和π-π相互作用；聚乙烯亚胺具有独特的支化结构及大量的可交联反应基团,且其内孔可作为很多物质的负载位点。基于上述特征采用真空抽滤法一步制得聚乙烯亚胺交联的氧化石墨烯层状微结构膜,由于聚乙烯亚胺的交联作用,膜在水中稳定性得到极大地提高；膜的层状结构和聚乙烯亚胺交联剂赋予了膜良好的药物负载能力。将其作为抗生素环丙沙星的载体,考察了对药物的释放性能。实验结果显示呈拟零级动力学释放行为,没有出现爆释现象。同时,与纯氧化石墨烯膜和层状聚乙烯基亚胺交联氧化石墨烯膜比较,负载环丙沙星的层状聚乙烯基亚胺交联氧化石墨烯膜表现出优异的抗菌性能。(2)小分子二元胺交联氧化石墨烯层状膜：相邻氧化石墨烯纳米粒子之间存在独特的二维通道,具有筛分作用以及优异的透水性质,而氧化石墨烯片层之间的交联可以实现对这一通道间距的调控。基于上述性质,采用真空抽滤法,分别利用乙二胺、丁二胺、己二胺等具有不同分子大小的二元胺作为交联剂,制备具有不同片层间距的二元胺交联氧化石墨烯层状微结构膜,并考察其渗透汽化性能。结果显示与未交联的氧化石墨烯膜相比,交联氧化石墨烯膜具有明显的脱水作用,其中乙二胺交联氧化石墨烯膜性能最优。(3)聚乙烯亚胺交联氧化石墨烯非层状凝胶膜：在高温静置条件下,采用溶胶-凝胶法制备了不同于常规有序层状结构的氧化石墨烯膜,非层状结构膜中,氧化石墨烯纳米粒子保持着随机无序取向。同时,由于在成膜反应过程中,氧化石墨烯纳米粒子发生扭曲折叠,使得膜表面具有微纳等级结构。因为氧化石墨烯纳米粒子和聚乙烯亚胺的亲水性,该凝胶膜具有超亲水和水下超疏油的性质,水下油滴接触角高达160°。将该膜应用于油水分离,对于甲苯／水、正辛烷／水、正己烷/水等一系列油水乳液,在推动力仅为重力条件下,此膜显示了很高的通量和分离效率(10 ppm),高于拥有类似渗透性能的商业膜。此外,该凝胶膜还表现出了优异的抗油污染性能,可长期循环使用。(4)环糊精接枝改性的聚多巴胺交联氧化石墨烯非层状凝胶膜：多巴胺具有独特的自聚、粘附和吸附能力,环糊精作为一种主体分子拥有能够包结客体分子的能力,因此采用溶胶-凝胶法制备了环糊精接枝改性的聚多巴胺交联氧化石墨烯凝胶膜,考察了该膜在静态和动态条件下对染料和重金属粒子的吸附性能。结果表明,通过吸附过滤过程,该膜能够高效处理低浓度染料和重金属离子废水。在0.01 MPa下,过滤通量能够保持在12 L/m2-h左右。该膜对亚甲基蓝具有良好的截留能力,在实验测试时间内截留率保持在99%以上,而对于橙黄G和铅离子,在过滤开始阶段截留率保持稳定,随后逐渐下降。吸附过滤结果表明,该膜将聚多巴胺、环糊精和氧化石墨烯有机结合,并具有协同吸附作用。综上所述,本研究通过选用不同的交联剂或制膜方法,设计和制备了不同化学性质和结构类型的氧化石墨烯膜,并将其应用于药物释放、油水分离等领域。同时探明了膜中氧化石墨烯纳米粒子和交联剂在具体应用中的协同作用机理,对将来设计高性能氧化石墨烯膜有积极意义。
【关键词】：氧化石墨烯 膜 微观结构 药物释放 油水分离 吸附过滤
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;TB383.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第1章 绪论14-41
• 1.1 引言14-15
• 1.2 氧化石墨烯15-20
• 1.2.1 氧化石墨烯结构16-17
• 1.2.2 氧化石墨烯物理性质17-18
• 1.2.3 氧化石墨烯化学性质18-20
• 1.3 氧化石墨烯基材料的制备20-29
• 1.3.1 氧化石墨烯杂化纳米复合物20-22
• 1.3.2 氧化石墨烯薄膜22-25
• 1.3.3 氧化石墨烯凝胶25-29
• 1.4 氧化石墨烯基材料在分离领域的应用29-38
• 1.4.1 油水分离30-32
• 1.4.2 吸附分离32-35
• 1.4.3 药物控释35-38
• 1.5 本课题的提出及研究内容38-41
• 第2章 聚乙烯亚胺交联氧化石墨烯层状膜的制备及药物释放研究41-60
• 2.1 前言41-42
• 2.2 实验内容42-47
• 2.2.1 实验材料和设备42
• 2.2.2 GPH膜的制备42-43
• 2.2.3 膜稳定性检测43
• 3.2.4 体外药物释放43
• 2.2.5 抗菌测试43-44
• 2.2.6 标准曲线的制作44-45
• 2.2.7 表征45-47
• 2.3 结果和讨论47-59
• 2.3.1 GO纳米粒子形貌47
• 2.3.2 膜的制备和表征47-53
• 2.3.3 GPH膜的载药能力计算53
• 2.3.4 体外药物释放行为53-58
• 2.3.5 抗菌活性58-59
• 2.4 本章结论59-60
• 第3章 小分子二元胺交联氧化石墨烯层状膜的制备及渗透汽化性能研究60-69
• 3.1 前言60
• 3.2 实验内容60-63
• 3.2.0 实验材料和设备60-61
• 3.2.1 聚丙烯腈底膜处理61
• 3.2.2 层状小分子二元胺交联氧化石墨烯膜的制备61
• 3.2.3 表征61-62
• 3.2.4 膜渗透汽化性能测试62-63
• 3.3 结果和讨论63-68
• 3.3.1 膜的制备和表征63-67
• 3.3.2 膜的渗透汽化性能67-68
• 3.4 本章结论68-69
• 第4章 聚乙烯亚胺交联氧化石墨烯非层状凝胶膜的制备及油水分离研究69-87
• 4.1 前言69-70
• 4.2 实验内容70-73
• 4.2.1 实验材料和设备70-71
• 4.2.2 表征71-72
• 4.2.3 非层状聚乙烯基亚胺交联氧化石墨烯凝胶膜的制备72
• 4.2.4 膜孔隙率计算72
• 4.2.5 油水乳液的制备72-73
• 4.2.6 乳液分离实验73
• 4.3 结果和讨论73-86
• 4.3.1 膜的制备和表征73-81
• 4.3.2 油水分离性能测试81-86
• 4.4 本章结论86-87
• 第5章 环糊精接枝改性的聚多巴胺交联氧化石墨烯非层状凝胶膜的制备及吸附性能研究87-110
• 5.1 前言87-88
• 5.2 实验内容88-94
• 5.2.1 实验材料和设备88
• 5.2.2 非层状聚多巴胺交联氧化石墨烯凝胶膜(GPC膜)的制备88-89
• 5.2.3 静态吸附实验89
• 5.2.4 过滤吸附实验89
• 5.2.5 分离性能分析89-90
• 5.2.6 吸附等温线拟合90
• 5.2.7 吸附动力学方程拟合90-91
• 5.2.8 标准曲线的制作91-93
• 5.2.9 表征93-94
• 5.3 结果和讨论94-108
• 5.3.1 GPC膜合成和表征94-99
• 5.3.2 静态吸附实验99-104
• 5.3.3 吸附过滤实验104-108
• 5.4 本章结论108-110
• 第6章 结论和展望110-113
• 6.1 全文主要结论110-111
• 6.2 主要创新点111-112
• 6.3 不足与展望112-113
• 参考文献113-132
• 作者简介132-133

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